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膜分离技术及其在食品工业中的应用
发布时间:2013-11-12??浏览次数;1235
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在很早以前,人们就发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内,后来经过大量的研究,使膜分离技术从实验室阶段发展到工业化应用。目前已应用于海水淡化、果汁牛奶的浓缩、制糖工业废水处理、纯净水制造以及溶液浓缩、分离和精制等领域。在膜分离的过程中,若通过半透膜的只是溶剂,则溶液得到浓缩,称之为膜浓缩;若通过半透膜的不仅是溶剂,而且有选择地让某些溶质组分通过,使溶液中不同溶质得到分离,称之为膜分离。根据其推动力不同分为两类:一类是以压力为推动力的膜过程,工业上应用较多的是反渗透和超滤;另一类是以电力为推动力的膜过程,如工业上应用的离子交换膜的电渗析。

一.膜分离的基本原理和方法

1??膜分离的概念:

即是以天然或人工合成的高分子薄膜为介质,以外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯和浓缩的方法称之为膜分离法。

2??膜的性能:

膜的性能主要体现在四个方面:

1)膜的化学稳定性:

膜的化学稳定性主要体现在抗氧化、抗水解性和耐酸碱性等。膜的抗氧化、抗水解性和耐酸碱性既取决于膜材料的化学结构,又取决于被分离溶液的性质。氧化、水解的最终结果使膜色泽变深,发硬变脆,使其化学结构与外观形态受到破坏。溶液中的氧化物产生的初级自由基能与膜的高分子材料(?键)反应:

反应产物不稳定,经过一系列反应,由醇变成醛,再转化为酸,二氧化碳、水等,从而降低膜的分离效果。[1]

2)膜的物理稳定性:

其主要体现在耐热性和机械强度等方面。膜的耐热性取决于膜材料的化学结构。故可以采取改变高分子的链节结构和聚集态结构,提高分子链的刚性等措施来提高膜的耐热性。而膜的机械强度是高分子材料力学性质的体现。在外力作用下,膜产生剪切蠕变,使膜透过速度下降。外力消失后,若再给膜施加相同外力,膜的透过速度暂时有所回升随后很快下降。

3)膜的分离透过性:

虽然膜具对被分离物具有选择透过性,但它也不可能将某一组分百分之百完全阻挡,而对另一组分完全透过。膜材料的化学特性、形态结构和分离过程中的一些操作条件等都会影响膜的分离能力。膜的分离透过性是其处理能力的重要指标。当膜达到所需的分离率后,其透量愈大愈好。故膜的分离性能和透过性能是相互依赖的,当膜的分离性能高时其透量就会受到损失,反之其透过率高则分离率就会降低。

4)膜的经济实用性:

主要是要求分离所用的膜材料和制造工艺等方面的价格合理,成本不高,便于制造,方便使用,否则就会严重制约膜分离技术在食品工业中的广泛使用。

3?膜分离的基本方法及其原理:

膜分离的基本方法主要有三种:反渗透、超滤和电渗析,其原理如下:

1)反渗透:

若在一选择性膜的两边分别放入纯溶剂A和含溶质的稀溶液B,在等温、等压的起始条件下,因纯溶剂A的化学位?大于稀溶液中溶剂的化学位?,此时溶剂向稀溶液侧渗透,此过程为浓度差作用下的渗透。随着溶剂的渗透,稀溶液侧液面升高,静压力增大,化学位上升,当达到渗透平衡时,稀溶液侧液面上升位能?为稀溶液的渗透压,用P?表示。若在稀溶液侧施加一大于P?的静压,溶剂便向纯溶液侧渗透,此过程即为反渗透。其必须满足的两个条件是:一个选择性透过膜和一个大于渗透压的静压差。

2)超滤:

应用孔径为1.0--22.0 nm的超滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液,使大分子或微细粒子从溶液中分离出来的过程称为超滤。与反渗透类似,超滤的推动力也是压差。在静压差的推动下,原料溶液中的溶剂和小溶质粒子从高压侧透过膜进入低压侧,而大分子和粗粒组分被膜阻拦逐渐被浓缩而后以浓缩液排除。这就要求超滤膜为非对称性膜,其选择性表面活性层有大量的孔径为1?m的微孔,能够截留直径为10--100nm,相对分子量为500100万的大分子和胶体微粒,其压差仅为0.5MPa左右。超滤膜对大分子的截留机理主要是物理筛分作用。决定截留效果的主要是膜的表面活性层上的孔的大小、形状以及膜表面的化学特性。除筛分作用外,粒子在膜表面微孔内的吸附和在膜孔中的阻塞也使大分子被截留。

3)电渗析:

电渗析是在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜对离子具有不同的选择透过性而使溶液中的电解质分离出来,从而实现溶液的浓缩、精制的一种膜技术。由于溶液的导电是依靠离子迁移来实现的,其导电性取决于溶液中的离子浓度和离子的绝对速度。离子浓度越高,绝对速度越大,则溶液的导电性愈强。电渗析是利用含离子溶液在通电时发生离子迁移这一特性而进行物质的分离的。

其基本原理是:在电渗析器的阴极和阳极之间交替排列着许多阴离子交换膜和阳离子交换膜,当原水用电渗析器进行脱盐时,接通电源后水溶液即导电,水中的离子即在电场作用下发生迁移,阳离子向负极运动,阴离子向正极运动。阳离子交换膜只允许水中的阳离子透过而排斥阻隔阴离子;相反阴离子交换膜只允许水中的阴离子透过而排斥阻止阳离子通过。因而在外电场的作用下,中间隔室的阳离子不断穿过阳离子交换膜来到阴极室,而阴离子不断穿过阴离子交换膜来到阳极室。这样就使中间隔室内溶液中的离子浓度越来越低,最后成为所需的淡水。故称该室为淡水室,而相邻室中由于离子的迁入使浓度升高故称为浓水室。电渗析器中用若干个阴、阳离子交换膜和特制的隔板形成了几百个隔室,水经过这些隔室后,浓缩的盐水从浓水室引出,从淡水室引出的即是所需的淡水。[2]

二.膜分离装置及其流程:

1?膜分离装置:

各种膜分离装置主要包括两部分:一是膜分离单元即膜组件,二是对流体提供压力和流速的装置,即泵。

2?膜分离装置的工艺流程:

膜分离操作的分离目的各不相同,如制备纯水需要关注透过液的质量是否符合标准,废液的处理则需要考虑透过液是否达到排放标准,浓缩液有无回收价值。因此需要以不同的方式配置组件来满足不同的要求。其工艺流程主要有以下几种:

1)一级一段连贯式和一级一段返回式:

一级一段连贯式回收率不高,实际采用较少,而一级一段返回式将部分浓缩液返回料液储槽,与原有的进料液混合后再次通过组件进行分离即可提高水的回收率,其工艺流程分别为:

一级一段连贯式:料液?料液储槽??膜组件?透过液

???????????????????????????????????????????????????浓缩液

一级一段返回式:料液?料液储槽??膜组件?透过液

??????????????????????????????????浓缩液

2)一级多段连贯式:

它是把第一段的浓缩液作为第二段的进料液,再把第二段的浓缩液作为第三段的进料液,各段的透过水连续排出。这种方式回收率高,适合于处理量大的场合,其流程为:

料液?料液储槽??第一段?第二段?……

??????????????????????透过液?????????????透过液

n?透过液

?????????????浓缩液

3)一级多段返回式:

这种方式将第二段的透过液返回第一段作为进料液,重新进行分离,浓缩液作为第三段的进料液,这样后一段的进料液浓度较前一段高。浓缩液经过多段分离后,浓度得到很大提高,故特别适合以浓缩为目的的分离。其工艺流程为:

料液?料液储槽??第一段?第二段?浓缩液

???????????????????透过液???????????

??????????????????料液储槽

三.膜分离技术在食品工业中的应用:

1.在乳制品工业中的应用:

反渗透、超滤技术在乳品工业中的应用的最主要方面是乳清蛋白的回收、脱盐和牛乳的浓缩。乳清中含有高营养价值的蛋白质、乳糖、乳酸、脂肪及矿物质。为了从低分子量组分中分离出蛋白质,通常采用超滤和反渗透处理,其工艺流程如下:

乳清?预处理?超滤?透过液?反渗透?透过液?至下水道

??????????????????????????????????????????????浓缩液?作动物饲料

???????????????????????浓缩液?干燥?强化乳清粉

2.在饮料工业中的应用:

以普通蒸发法浓缩的果汁,在蒸发过程中,原果汁所含水溶性芳香物质及维生素等几乎全部被破坏、损失。当采用反渗透设备在10MPa的操作压力下处理柑橘和苹果等果汁,得到固形物损失率小于1%的浓缩果汁,其芳香物及维生素等得到很好的保存。而超滤主要用于果汁的澄清,如靠压榨生产的苹果汁,含有12%的固体包括糖、苹果酸、淀粉、果胶和酚类化合物。超滤后果汁的得率可达到96%---98%,且超滤加工时间很短,操作简单,节省人力和储罐设备,同时通过超滤也除去了果汁中的细菌、霉菌、酵母和果胶等,故超滤后的果汁有较长的货架寿命(长达2年),[3]其工艺流程为:

苹果汁?巴氏杀菌(55℃)?酶处理(55℃)?超滤?澄清果汁

??????????????????????????????????????????????????????果渣泥

3??在纯水制造业中的应用:

采用膜技术制造纯水在日常生活中应用最广。日常饮用的自来水、纯净水等均采用该技术,其优点是延长离子交换树酯的寿命,缩短树酯再生周期;使终端过滤器寿命延长,减少管理费,污染少,产出水质稳定。但采用膜技术生产纯水时,前处理须加强,要求水浊度小于13,水温5--40℃,余氯小于0.2 mg/Kg,且要经常杀菌以防微生物生长,杀菌剂为甲醛、双氧水等,浓度为3%,处理时间为30分钟。[4]其工艺流程为:

原水?原水槽????????水箱??阳床?阴床?混床?用水点

此外,在豆制品加工业中,可以用膜分离技术从废液中回收蛋白质;在淀粉加工工艺中,可采用膜分离技术回收蛋白质;在制糖工业中,采用膜分离技术可回收糖分并进行废水处理,减少环境污染;可以采用膜分离技术除去酒及含酒精饮料中的酵母菌、杂菌及胶体等物质,使酒的保质期延长;可以对茶汁进行过滤澄清,消除茶饮料的浑浊和沉淀现象等等。总之,随着科技的发展,膜分离技术已经为食品工业的快速发展作出了很大的贡献。在广大食品科技工作者的共同努力下,相信膜分离技术还会越来越多的应用于食品工业中,生产开发出更多好的食品,满足消费者日益增长的物质需要,更好地造福人类。

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